跨流域多水源引調水工程系統設計方案研究

張紅武

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

跨流域多水源引調水工程系統設計方案研究

張紅武

（山西省水利水電勘測設計研究院，山西 太原 030024）

引調水工程輸水系統是多目標決策問題，設計時可以把大系統劃分若干子系統，利用優化控制理論和分析方法，分別對子系統優化控制，再對整個大系統綜合分析，從而獲得較優的方案。本文結合多水源調水的工程實例，從線路布置、輸水方式、泵站分級、調度控制等方面進行優化研究，得到了總體較優的系統方案，研究結論可供工程設計人員參考借鑒。

水網；輸水；泵站；樞紐

1 引言

隨著經濟發展，水資源分布不均勻性與需水不均衡性日趨突出，跨流域調水工程越來越多。輸水系統方案直接影響工程投資、施工難度、工期、運行管理。本文以山西大水網某骨干工程為實例，結合工程自身特點和運行管理要求，針對工程設計中需要解決及系統運行可能遇到的實際問題，運用優化控制理論和分析方法，將輸水系統多目標的大系統，劃分為 2個子系統，分別進行優化控制，以期得到安全可靠、經濟合理的設計方案，并為工程建成的運行管理創造優化控制的條件。

2 工程概況

“十二五”期間，為突破山西省水資源短缺的瓶頸，山西省啟動“兩縱十橫、六河連通，縱貫南北、橫跨東西，多源互補、保障應急，豐枯調劑、促進發展”的大水網建設，它以縱貫山西省南北的黃河北干流和汾河兩條天然河道為主線，以十大骨干供水體系（十橫）為骨架，通過連通工程建設，將黃河、汾河、沁河、桑干河、滹沱河、漳河這六大河流及各河流上的大中型水庫相連通。

本文實例工程是“山西大水網”骨干工程之一，工程實現跨流域調水，補充受水區的工農業用水，供水規模1.12億m3/年。取水水源四座，分別為水源1、2、3、4，并利用受水區的8座已建水庫作為末端調蓄水庫。工程輸水管（洞）線總長 255km，其中壓力管線長178km、隧洞長75km（含3.0km洞穿管）。共布置3座泵站，設計揚程分別為120、159、108（76）m，總裝機容量18MW，附屬建筑物包括流量調節閥室、檢修閥室、排氣閥井等，共計469座。

3 子系統劃分及優化控制總目標

運用優化控制理論和分析方法，結合工程自身特點，將輸水系統大系統劃分為輸水子系統及控制子系統。輸水子系統主要項目包括線路布置方案、取水口方案、輸水方式，控制子系統主要為加壓泵站、流量調節閥等。設計時分別對以上項目進行優化控制，再進行綜合分析，以確定總體較優的輸水系統方案。輸水系統優化控制目標為：

（1）滿足山西大水網規劃的規模、投資、工期等總體要求；

（2）實現多水源地的靈活調度，有機統一。

（3）確定合理輸水方式、線路布置方案及輸水建筑物設計，滿足系統運行的安全、經濟、可靠。

4 輸水子系統優化控制

4.1 線路布置方案

工程任務是實現漳河與汾河兩個流域的連通，取水水源 1、2位于濁漳河，正常蓄水位分別為1025.2m、961.6m，水源 3、4位于清漳河，正常蓄水位分別為1142.5m、852.0m；用水區位于汾河流域，規劃布置了7座已建水庫作為末端調蓄庫，蓄水高程均在1000～750m。

從水源地的流域關系上看，水源 2與水源 1同屬濁漳流域，水源 2位于水源 1下游（東南向）約30km；水源 3、4同屬清漳流域，水源 4位于水源3下游（東南向）約 50km。從水源地、用水區的相對位置及地形高程上看，水源 1距用水區最近，蓄水高程剛好滿足自流輸水至用水區的要求，水源2則需設置泵站提水；水源3位于水源1的東北約50km，從其附近穿越清、濁漳河分水嶺段約 30km，可自流輸水；水源 4位于水源 1的東南，從其附近穿越清、濁漳河分水嶺段約50km，需設置泵站提水。

根據以上分析，輸水線路從清漳河至濁漳河、濁漳河至汾河流域均需穿越分水嶺，為工程關鍵區段，線路布置方案的優化控制的總體最優方案為：“水源4提水至水源3下游，匯水后穿越清、濁漳河分水嶺，四座水源在水源 1附近匯水后穿漳河、汾河分水嶺”，以山西大水網的規劃的規模、投資、工期等總體要求進行優化控制，滿足目標方案見圖 1。

圖1 輸水系統線路布置示意圖

4.2 取水口方案

本工程有四座取水水源，水源 4為在建工程，其余 3座水源都是上世紀建成并運行多年。取水口方案優化控制考慮的主要因素，一是取水口水位和水質要求；二是庫岸地形、地質及輸水線路總體布置；三是現狀水庫管理單位的運行情況；四是取水口的施工難度及施工期的環境保護問題；五是有條件時盡可能利用已有建筑物。

（1）水源1位于調水區的核心，既是調水水源，也是調水區的調蓄水庫，水源取水口布置在云竹水庫溢洪道右側啞口，為岸邊取水，取水口包括引水渠段、進水池段、進水塔及取水隧洞四部分組成，考慮供水及調蓄雙重功能，取水隧洞采用了單洞雙流道的設計。水源1取水口布置見圖2。

（2）水源 2位于供水區下游，需設置泵站，采用庫岸取水方式，取水口選址結合了地形、地質及施工圍堰布置，布置于庫區右岸的一溝道內（距壩址約 1km），取水口采用豎井式結構，并將泵站與取水口結合布置，為適應庫水位的變幅，泵組選型為立式長軸泵（斜流）。

（3）水源 3位于主管線上游，可自流輸水，取水口選址壩前右岸，受地形、地質條件限制，不具水的事故率低、末端調蓄庫規模及當地水源互補性等因素，綜合國內同類工程經驗，確定采用單線輸水方式。備新建輸水隧洞條件，對原導流涵洞采用洞穿鋼管，進水塔至導流涵洞進口采用沉管方案。

（4）水源 4為新建工程，需設置泵站，泵站采用引水式，取水口直接利用該水源的發電洞取水建筑物，設計在電站壓力管道上增設岔管和控制閥，直接引水。

4.3 輸水方式

引調水工程的輸水方式主要有無壓重力輸水、有壓重力輸水、泵流等，輸水建筑物主要有明渠、管道及隧洞等。明渠輸水過流能力強，投資較低、施工簡單，但受地形影響較大、占地大、水量蒸發滲漏損失較大、沿途污染難以控制、日常運行管理較為困難；管道輸水供水保證率高、損失水量少、施工方便、運行維護方便、防污染性強，但工程造價較高。隧洞輸水是長距離引調水工程在穿山過嶺地段的主要型式，其優點是供水保證率高、損失水量少、防污染性強，但施工難度大、工期長，造價高。

《室外給水設計規范》（GB50013）規定：“輸水干管不宜少于 2條，當有安全貯水水池或其他安全供水設施時，也可修建一條”，規范還規定：“城鎮的事故水量為設計水量的 70%”。充分分析本工程取水多水源的互為備用、高性能管材及長隧洞輸

圖2 水源 1取水口布置圖

優化控制后輸水方式：①過分水嶺的長隧洞段采用無壓隧洞明流輸水，減少水頭損失和隧洞投資；②主管線段采用壓力管道重力流輸水；③泵站進、出水池間采用壓力管道泵流輸水；④為減少輸水流態的頻繁變化，明流隧洞的連接段采用明渠（管）輸水，有壓管道間的長度較短隧洞采用洞穿壓力管道輸水。

5 控制子系統

本工程的控制子系統項目主要有：加壓泵站、流量調節閥室、檢修閥井、排（進）氣等，核心是加壓泵站及流量調節閥。

5.1 加壓泵站

加壓泵站優化控制主要內容，一是泵站級數、各級間揚程分配、泵站內泵型、泵組臺數（容量），二是泵站與輸水子系統連接方式。

泵站級數太多調度運行復雜、管理不便，級數太少單級泵站楊程過高，會帶來泵組選型困難和管線運行壓力高、安全性差等問題。本工程主管材為PCCP，結合同類工程經驗及管道制作工藝，以工作壓力不超過1.5MPa，瞬時壓力不超過2.0MPa控制，結合輸水系統壓坡線的水壓要求，確定水源2支線采用1級加壓方案，水源 4支線采用 2級梯級加壓方案。泵組選型選用已有運行經驗的定型泵型，并做到一、二級泵站間的流量匹配、高效運行等因素。為適應工程訊期與非訊期的不同取水流量的高效經濟，3座泵站均設置了兩臺變頻電機，泵站 3還采用了大小泵組合的配置方案。優化控制后的泵站級數及泵組參數如表1。

泵站與輸水系統連接方式有直抽增壓、泵站設前池、泵站設前池和出水池三種。設置前池可使加壓泵站的運行更穩定，前池設計一要有足夠容積，保證一定的換水系數，二是盡可能采用較大的池面積，以減少水位波動，增強泵組的運行穩定性。設置高位出水池，在泵站選址時就應考慮修建出水池的地形、地質條件，其作用是減少系統的泵流段長度，泵流不僅有流速的變化，而且有流動方向變化（停泵水錘、水柱拉斷—再彌合水錘），輸水系統優先采用重力流輸水，也即重力流輸水一般不會發生倒流，通過控制流量變化率和關（開）閥時間、設置空氣閥即可避免水錘或限制在允許范圍內。美國和日本多將泵流段管道長度是否大于 20倍揚程作為衡量水錘嚴重程度的重要指標之一，本工程 3座泵站均設置了高位出水池，水力過渡分析的結果“通過優化泵出口蝶閥關閉工況，即可滿足規劃要求的管道壓力升高率和允許的機組的倒轉轉速”，進一步驗證了系統設計是合理的。

表1 泵站級數及泵組參數表

5.2 流量調節閥

根據輸水系統布置，工程共布置了 13座調節閥，而多水源系統的調度核心為水源 1附近的流量調節閥（調水樞紐），位置如圖 1。水源1既是調水水源，也是調水區的調蓄水庫，調水樞紐一要實現4座調水水源的匯水、平壓，二要滿足所有調水水源直接供水及調蓄的雙重功能，并做到總調水規模的靈活、準確調控制。設計優化控制以滿足不同工況的調水流量為前提，從調節閥選型、廠房及設備布置、連接箱涵等方面綜合進行優化。

調節閥一方面調節流量，另一方面要消減閥前多余水頭，保證輸水水壓要求，調節閥選型須做到經濟實用，對調流調壓幅度大的支線選用價格較貴的活塞式調節閥，調壓幅度小的支線選用半球閥。

調節閥選型廠房及設備布置優化內容：①將調水樞紐廠房由L形優化為”一”字形，大大減少了土建投資，且減少了一套起重設備；②通過入庫調蓄與直接供水的互為備用，相應減少了2套調節閥、2套半球閥，即滿足了規范要求，又大大節省了設備投資；③出水池布置時巧妙利用安裝間下的地下部分做為水流通道，很好地解決了管道轉彎的問題，避免管道交叉。優化后功能及可靠性不變，建筑物、設備布置更為合理，大大減少了土建及設備工程量，相應節省工程投資300余萬元。目前該樞紐已建成，優化前后的布置見圖 3、圖4 。

圖3 優化前的調水樞紐布置圖

圖4 優化后的調水樞紐布置圖

6 結束語

本次優化控制的主要成果包括：

（1）線路布置方案的優化控制很好地解決了多水源跨越兩座分水嶺問題，實現了總線路最短，投資最省，且為 4座水源的聯合調度創造了條件。

（2）四座水源條件不同，優化控制從多方面綜合分析，確定了較優的取水口方案，水源1取水口的單洞雙流道方案是洞穿雙管技術的首次應用。

（3）優化控制后將無壓隧洞明流輸水、壓力管道重力流（含洞穿管）、泵流輸水等輸水方式很好的應用于系統設計中，對減少水頭損失、節省工程投資、運行安全創造了條件。

（4）泵站控制中的泵站分級原則、泵組選型采用大小泵組合方案、定速和變頻（變速）相結合的運行方式使系統調度運行更方便、更經濟；泵站與輸水系統連接采用設前池和高位出水池方式，泵流段長度均縮短到 1km以內，水錘問題迎刃而解。

（5）調水樞紐的全面優化取得了較好的經濟效益，其“入庫調蓄與直接供水閥組互為備用”及“出水池流道的巧妙布置”是優化的核心與亮點。

通過輸水子系統與控制子系統的優化控制得到總體最優的輸水大系統方案，其方法和主要結論可為類似工程提供借鑒。

［1］孟晉忠.泵站與輸水系統非調節工況特性與控制［J］.太原理工大學學報，2005（01）：85-89.

［2］蔣慰孫、俞金壽.過程控制工程［M］.北京：中國石化出版社，1999.

［3］楊建璽、徐莉萍等.控制工程基礎［M］.北京：科學出版社，2008.

TV68

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1672-2469（2015）08-0061-05

DO I：10.3969/j.issn.1672-2469.2015.08.020

張紅武（1971年—），男，高級工程師。